一種基于調頻噪聲干擾信號的協同探測定位技術

石 林，王 宏，周 宇

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

1 概 述

隨著電子戰系統和裝備技術的迅猛發展，電子戰已成為現代戰爭中不可缺少的一種重要作戰手段。在電子對抗中，信息的獲取、戰場態勢的感知和掌控是現代戰爭獲勝的重要因素，對敵信息設備實施有效打擊更是制勝的法寶，集干擾與探測為一體的多功能設備，在電子戰設備的發展中受到極大的關注?；诟蓴_信號的協同探測定位技術，在己方干擾設備對敵方進行干擾打擊的同時，利用信號復用技術，將己方發射的干擾信號作為探測信號，對周圍目標進行協同探測和定位。

本文介紹了一種基于調頻噪聲干擾信號的協同探測定位技術的原理、設備組成、信號處理方法及試驗結果。

2 基于調頻噪聲干擾信號的協同探測定位技術

基于調頻噪聲干擾信號的協同探測定位技術，采用雙多基地體制，利用干擾發射設備發射調頻噪聲干擾信號，探測定位設備對目標回波進行接收和處理，完成對目標的探測和定位。

圖1所示為收發雙基地配置情況。發射干擾站與協同探測定位設備之間的基線距離L已知，協同探測定位設備測量得到距離和Rs=Rt+Rr和方位角θr。

圖1 定位原理示意圖

由余弦定理可得：

(1)

(2)

對于多目標而言，每個目標的位置可由各自的方位角及距離和唯一地確定。

3 信號波形設計

基于調頻噪聲干擾信號的探測定位技術的關鍵之處在于發射信號的波形設計，用于探測的調頻噪聲干擾信號的架構形式有2種[1]：一種是利用純干擾進行探測；一種是復合波形，在干擾信號中開窗，在開窗期間加入探測信號，即干擾探測一體化波形。

純干擾波形的信號如圖2所示，發射的信號就是經過設計的準連續噪聲調頻干擾信號，其中PRT是指脈沖重復周期。

圖2 純干擾波形的干擾探測信號

純干擾波形的發射信號既是干擾波形又是探測波形。干擾時大功率發射干擾信號，覆蓋敵雷達工作頻段，降低敵方雷達的探測能力；同時利用該大功率的干擾信號還可以探測敵目標周圍無源目標，對敵方目標進行精確定位，干擾和探測同時完成。

干擾探測一體化的復合波形如圖3所示，黑色部分為探測信號，白色部分為干擾信號。探測波形采用具有特定信號特征的信號，如線性調頻信號、噪聲調頻信號或其它信號；而干擾信號波形采用常規干擾信號。

圖3 復合波形的干擾探測信號

4 設備組成

發射干擾站與協同探測定位設備組成如圖4所示?？刂浦行母鶕h境情況發出控制指令，發射干擾站接到指令后，產生相應的干擾信號，并放大發射。發射的干擾信號照射到目標上產生回波信號，被協同探測定位設備所接收。收發設備受控在空間、時間、頻率上同步，信號處理采用匹配濾波處理得到目標信息，而后通過數據處理形成目標的點跡和航跡。

圖4 設備組成

5 信號處理方法

如果雷達接收系統與接收信號相匹配，則雷達接收機輸出端的峰值信噪比達到最大值,無論采用什么樣的雷達波形，匹配濾波器輸出響應的峰值瞬時信號與平均噪聲功率之比2倍于接收信號能量E對單位赫茲的噪聲功率N之比[2]：

(3)

當匹配濾波器接收機與發射波形相匹配，脈沖寬度為T，且帶寬等于接收系統噪聲帶寬βn，脈沖壓縮處理減少了響應的寬度，增加了輸出包絡的峰值，增加的因子定義為信號處理增益D。對于理想匹配而言，其增益D接近于時間帶寬乘積Tβn。

匹配濾波器輸出響應的瞬時峰值信噪比：

(4)

如果以噪聲調頻脈沖信號作為發射信號[3]，其時域表達式關系如下：

(5)

(6)

式中：A為載波振幅；t0為信號脈沖寬度；ωc為載波頻率；KFM為調頻斜率，表示調制噪聲每伏電壓引起的頻率變化；un(τ)為調頻噪聲函數，均值帶限高斯白噪聲；φ為[0,2π]上的均勻分布，與噪聲un(t)相互獨立。

調頻噪聲函數滿足高斯分布,un的概率密度函數為：

(7)

發射信號的頻譜：

(8)

當mfe?1時：

(9)

式中：mfe=KFMσ/ΔFn；fde=KFMσ。

調頻噪聲的功率：

(10)

目標與發射機相距R，其回波信號被接收機所接收，其回波表示為：

x(t)=σ0s(t-tR)+nr(t)

(11)

回波譜：

X(f)=GS(f)ej2πftR+N0

(12)

目標的回波信號中包含了發射信號的特征，因此在信號處理中采用與發射信號樣本相匹配的沖擊響應函數進行匹配濾波的處理。

匹配濾波輸出：

y(t)=x(t)*h(t)

(13)

沖擊響應函數時域表達式：

h(t)=s*(-t)

(14)

對應于頻域：

Y(f)=X(f)H(f)

(15)

匹配濾波器的輸出峰值為回波中與樣本匹配的信號，輸出功率Y(f)=GS(f)2，無回波區輸出的是噪聲功率。

匹配濾波器輸出的最大信噪比：

(16)

此時該信噪比所代表的物理意義就是主瓣與τ?1/B處的旁瓣之比，因此對于積累時間為T0,帶寬為B的噪聲調頻信號,其遠區主旁瓣比為時寬帶寬積BT0。

由此可以看出，噪聲調頻信號可以作為探測信號使用。

圖5為噪聲調頻信號脈壓的數學仿真結果，此時噪聲調頻信號帶寬5 MHz，脈寬取200 μs，可以看出脈壓得益約為30 dB。

圖5 噪聲調頻波形的脈壓結果

6 外場試驗結果

在外場試驗中，我們對飛行目標進行相關探測試驗，設備發射峰功率不足800 W，采用純噪聲調頻信號，信號重復周期Tr=4 ms，脈寬τ=200 μs，帶寬B=5 MHz，理論脈壓得益D=30 dB。探測結果如圖6所示，深色為實際探測結果，淺色為飛機自動相關監視廣播(ADS-B)得到的位置信息，可以看出，能夠探測到125 km遠的民航目標，反推系統靈敏度到-128 dBm，信號壓縮得益大于28 dB以上。

圖6 噪聲調頻信號實際探測結果

7 結 論

本文通過理論分析、數學仿真和外場試驗證明，利用調頻噪聲信號是可以進行探測和定位的。該項技術充分利用現有的干擾發射設備發射干擾探測信號，使得干擾發射設備既可以當作干擾設備，也可以當作目標探測的發射設備，在干擾的同時對附近的無源目標進行探測和定位，是一種高效、多功能的設備。